JP2013168751A - 無線通信基地局装置、無線通信端末装置及びフィードバック方法 - Google Patents

Abstract

【課題】上りリンクＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムのＭＵ−ＭＩＭＯにおいて、伝送容量を最大化しつつ、フィードバック情報のオーバヘッドを低減する無線通信基地局装置、無線通信端末装置及びフィードバック方法を提供する。
【解決手段】基地局において、ＳＴ３０５では、ＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列に乗算することによって、ＭＵ−ＭＩＭＯ時の伝送容量を最大化するように送信ウェイト変換行列を決定し、ＳＴ３０６では、決定した送信ウェイト変換行列に予め対応付けておいたＴＭＩを端末にフィードバックする。端末において、ＳＴ３０９では、基地局からフィードバックされたＴＭＩに対応する送信ウェイト変換行列をＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列に乗算して、ＭＵ−ＭＩＭＯ時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列を生成し、ＳＴ３１０では、送信データに第２送信ウェイト行列を乗算して送信する。
【選択図】図８

Description

本発明は、閉ループＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）システムにおいて、送信信号を時分割多重（ＴＤＤ：Time Division Duplex）して送受信する無線通信システムに関し、特に、上りリンクのＭＵ（Multi-User）−ＭＩＭＯを行う無線通信基地局装置、無線通信端末装置及びこれらの装置間におけるフィードバック方法に関する。

３ＧＰＰ ＬＴＥ（3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution）では、双方向に送受信が可能な通信方式（デュプレックス）として、ＦＤＤ（Frequency Division Duplex）とＴＤＤの両方がサポートされている。ＦＤＤが上下リンクで異なるキャリア周波数帯を使用するのに対し、ＴＤＤは上下リンク共に同一のキャリア周波数帯を使用する。最近では、ＴＤＤを採用したＴＤ−ＬＴＥ（Time Division Long Term Evolution）の商用化を目指して試験サービスを開始するオペレータが増加してきている。

ＴＤ−ＬＴＥのメリットとして、「上下リンクのトラヒック量に応じた柔軟な帯域幅の決定」、「チャネル推定のための参照信号を利用せずに、上下リンクの伝播チャネルを推定可能」などがある。一方、デメリットとして、「ガードタイム挿入による通信効率の低下」などがある。

ＬＴＥは、空間分割多重ＭＩＭＯについてもサポートしている。ＭＩＭＯは、ユーザの多重方法により、ＳＵ（Single User）−ＭＩＭＯとＭＵ−ＭＩＭＯに分類できる。ＳＵ−ＭＩＭＯは、複数のアンテナを有する単一の基地局と、複数のアンテナを有する単一の端末とが複数の空間的なチャネルを同時に使用する技術である。一方、ＭＵ−ＭＩＭＯは、複数のアンテナを有する単一の基地局と、複数のアンテナを有する複数の端末とが複数の空間的なチャネルを同時に使用する技術である。

また、ＭＩＭＯにはプリコーディング（pre-coding）という技術がある。これは、送信側と受信側とにおいて、それぞれ送信ウェイトと受信ウェイトを乗算し、各レイヤの受信ＳＩＮＲ（Signal to Interference and Noise Ratio）もしくは合計スループット（伝送容量）が高くなるように、送受信側双方で指向性を形成する方法である。ＬＴＥでは、コードブック（codebook）基準のプリコーディングがサポートされている。コードブック基準とは、予め決められたプリコーディングウェイト行列のコードブック（候補）の中から最適なプリコーディングウェイト行列を選択して、そのインデックスであるＰＭＩ（Precoding Matrix Index）を受信側から送信側にフィードバックする方法である。

ＴＤＤを用いたＭＩＭＯシステム（ＴＤＤ−ＭＩＭＯ）では、上下リンクが同一周波数を使用するため、参照信号を利用することなく、チャネルの対称性を利用してチャネル情報を推定し、送受信ウェイトを生成できる。そのため、一般的には、ＭＣＳ（Modulation and Coding Scheme）のためのチャネル品質指標ＣＱＩ（Channel Quality Indicator）又はＰＭＩなどの送受信ウェイトをフィードバックする必要がない。ただし、ＬＴＥでは、ＴＤＤモードの場合においても、ＣＱＩ及びＰＭＩをフィードバックしている。

図１にＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムの概念図を示す。この図では、基地局のアンテナ本数がＭ本、端末のアンテナ本数がＮ_ｋ本とする。

ＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムでは、上下リンクが同一周波数を使用するため、上下リンクのチャネルが対称の関係（上下リンクのチャネルを行列で表現する場合には、互いに転置の関係）となる。この性質を利用すれば、受信側で参照信号を利用し、その結果を送信側にフィードバックすることなく、送信側でチャネル情報を推定して送信ウェイト行列を生成することができる。

ＬＴＥにおける上りリンクＭＩＭＯでは、伝送容量を増大させるために、ＳＵ−ＭＩＭＯ及びＭＵ−ＭＩＭＯをサポートしている。非特許文献１には、図２に示すように、上りリンクＭＩＭＯにおけるコードブック基準のプリコーディングを用いるＭＩＭＯシステムが開示されている。プリコーディングにおける理想的（最適）な送信ウェイト行列は、チャネル行列Ｈ_ｋの共分散行列Ｈ_ｋ ^ＨＨ_ｋの固有ベクトル（もしくは、Ｈ_ｋの特異ベクトル）になる。しかしながら、送信ウェイト行列情報をそのままフィードバックすることは、オーバヘッド量が増大することから現実的ではない。そのため、予め決められたプリコーディング行列のコードブックを用意し、基地局は端末に対して、コードブックの中から伝送容量が最大となるようプリコーディング行列を選択し、そのインデックス（ＰＭＩ）をフィードバックしている。

なお、ＴＤＤシステムでは、上下リンクのチャネルが対称になるため、ＰＭＩをフィードバックせず、基地局と端末それぞれが送受信ウェイトを推定できる。

図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に、上りリンクにおけるＰＭＩとプリコーディング行列の対応関係を示す。図３（ａ）は送信アンテナ数２本、図３（ｂ）は送信アンテナ数４本、レイヤ数１、図３（ｃ）は送信アンテナ数４本、レイヤ数２の場合を示している。図３（ａ）において、レイヤ（ランク）数Ｌとは、生成できる独立した空間チャネルを表している。一般的に、送信アンテナ本数がＮ_ｋ、受信アンテナ本数がＭの場合、Ｌ≦ｍｉｎ｛Ｍ，Ｎ_ｋ｝の独立した空間チャネル（レイヤ）を生成できることが知られている。レイヤ数は動的に変更できる。使用するプリコーディング行列及びＰＭＩのフィードバックビット数は、レイヤ数及び利用可能な送信アンテナ数によって異なる。

Juho Lee, Jin-Kyu Han, and Jianzhong (Charlie) Zhang, "MIMO Technologies in 3GPP LTE and LTE-Advanced", Hindawi Publishing Corporation EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking Volume 2009

ここで、端末ｋにおいて、ＴＤＤシステム特有のチャネル対称性を利用してプリコーディングウェイト（送信ウェイト）行列を求めたとしても、その送信ウェイト行列では伝送容量を最大化することが困難である。そこで、ある端末が独立した空間チャネルを独占する場合（ＳＵ−ＭＩＭＯ）においては、チャネル対称性を利用することにより伝送容量を理論上最大化できる送信ウェイトを生成できることが知られている。

一方、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムのように、レイヤを複数の端末間で共有する場合は、端末ｋは自身のＭＩＭＯ信号を復調するために自身と基地局間のチャネル情報だけでなく、他の端末と基地局間のチャネル情報も必要となる。しかしながら、端末ｋは他の端末と基地局間のチャネル情報を推定することはできないため、伝送容量を最大化する最適な送信ウェイト行列を求めることができない。

そこで、次のような方法が考えられる。基地局は、通信中の全ての端末のチャネルを把握できるため、他の端末の干渉も考慮して伝送容量を最大化できる送信ウェイト行列を推定できる。よって、基地局において伝送容量を最大化できる上りリンク送信ウェイト行列を推定し、端末ｋにフィードバックすればよい。

この方法によれば、伝送容量を理論上最大化することはできるものの、基地局から端末ｋへのフィードバック情報のオーバヘッドが増大してしまい、その結果、下りリンクの伝送容量を圧迫してしまう。

本発明の目的は、上りリンクＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムのＭＵ−ＭＩＭＯにおいて、伝送容量を最大化または増大化しつつ、フィードバック情報のオーバヘッドを低減する無線通信基地局装置、無線通信端末装置及びフィードバック方法を提供することである。

本発明の無線通信基地局装置は、ＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムにおける無線通信基地局装置であって、無線通信端末装置から送信された参照信号に基づいて、チャネル推定値を算出するチャネル推定手段と、前記チャネル推定値からＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列を生成する第１送信ウェイト生成手段と、ＭＵ−ＭＩＭＯを用いた前記無線通信端末装置との通信時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列と、前記第１送信ウェイト行列との差分情報を生成する差分情報生成手段と、前記差分情報を前記無線通信端末装置に送信する送信手段と、ＭＭＳＥ−ＳＩＣ（Minimum Mean Square Error Successive Interference Cancellation）基準とし、無線通信端末装置のアンテナ総数に関わらず、ＭＩＭＯ復調を行うＭＩＭＯ復調手段と、を具備する構成を採る。

本発明の無線通信端末装置は、ＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムにおける無線通信端末装置であって、無線通信基地局装置から送信された参照信号に基づいて、チャネル推定値を算出するチャネル推定手段と、前記チャネル推定値からＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列を生成する第１送信ウェイト生成手段と、ＭＵ−ＭＩＭＯを用いた前記無線通信端末装置との通信時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列と、前記無線通信基地局装置において生成された第１送信ウェイト行列との差分情報を前記無線通信基地局装置から受信する差分情報受信手段と、前記第１送信ウェイト生成手段によって生成された前記第１送信ウェイト行列と、前記差分情報とを用いて、前記第２送信ウェイト行列を生成する第２送信ウェイト生成手段と、送信データに前記第２送信ウェイト行列を乗算するウェイト乗算手段と、を具備する構成を採る。

本発明のフィードバック方法は、ＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムの無線通信基地局装置におけるフィードバック方法であって、無線通信端末装置から送信された参照信号に基づいて、チャネル推定値を算出するチャネル推定工程と、前記チャネル推定値からＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列を生成する第１送信ウェイト生成工程と、ＭＵ−ＭＩＭＯを用いた前記無線通信端末装置との通信時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列と、前記第１送信ウェイト行列との差分情報を生成する差分情報生成工程と、前記差分情報を前記無線通信端末装置に送信する送信工程と、を具備するようにした。

本発明によれば、上りリンクＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムのＭＵ−ＭＩＭＯにおいて、伝送容量を最大化または増大化しつつ、フィードバック情報のオーバヘッドを低減することができる。

ＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムを示す概念図 コードブック基準のプリコーディングを用いるＭＩＭＯシステムを示す概念図 上りリンクにおけるＰＭＩとプリコーディング行列の対応関係を示す図 上りリンクにおけるＰＭＩとプリコーディング行列の対応関係を示す図 本発明の実施の形態１に係る無線通信端末装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１に係るＴＭＩと送信ウェイト変換行列との対応表を示す図 ＴＤＤ−ＭＩＭＯにおけるＳＵ−ＭＩＭＯを示す概念図 本発明の実施の形態１に係る無線通信基地局装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１に係る基地局から端末へのフィードバック方法の手順を示すシーケンス図 本発明の実施の形態２に係る端末の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る基地局の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る基地局から端末へのフィードバック方法の手順を示すシーケンス図 ＰＲＩと位相との対応表を示す図 本発明の実施の形態３に係る基地局の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係るＴＭＩと送信ウェイト変換行列との対応表を示す図 本発明の実施の形態４に係る端末の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態４に係る基地局の構成を示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、実施の形態において、同一機能を有する構成には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１に係る無線通信端末装置（以下、「端末」という）１００の構成を示すブロック図である。以下、図４を用いて端末１００の構成について説明する。

誤り訂正符号化部１０１は、入力された情報データ（情報ビット）に誤り訂正符号化処理を施し、符号化ビット（システマチックビット及びパリティビット）を生成する。生成された符号化ビットはデジタル変調部１０２に出力される。

デジタル変調部１０２は、誤り訂正符号化部１０１から出力された符号化ビットをデジタル変調し、変調シンボルに変換する。変換された変調シンボルはＳ／Ｐ変換部１０３に出力される。

Ｓ／Ｐ変換部１０３は、デジタル変調部１０２から出力された変調シンボルをレイヤ毎の変調シンボルに並べ替えて、電力制御部１０４に出力する。

電力制御部１０４は、Ｓ／Ｐ変換部１０３から出力されたレイヤ毎の変調シンボルにＳＵ−ＭＩＭＯ基準の固有ベクトル（以下、「第１送信ウェイト行列」という）を乗算することを前提とした、注水定理（Water Filling Principal）に基づく電力配分をレイヤ毎の変調シンボルに対して行って、送信ウェイト乗算部１０５に出力する。なお、電力制御部１０４の詳細については後述する。

送信ウェイト乗算部１０５は、電力制御部１０４から出力された変調シンボルに、第２送信ウェイト生成部１０９から出力された第２送信ウェイト行列を乗算し、空間多重して無線通信基地局装置（以下、「基地局」という）に送信する。

フィードバック情報復調部１０６は、基地局から送信されたフィードバック情報を復調し、送信ウェイト変換行列インデックス（以下、「ＴＭＩ：Transform Matrix Index」という）を取得し、取得したＴＭＩに対応する送信ウェイト変換行列を第２送信ウェイト生成部１０９に出力する。なお、フィードバック情報復調部１０６の詳細については後述する。

チャネル推定部１０７は、基地局から送信された参照信号からチャネル推定値（チャネル行列）を求め、求めたチャネル推定値を第１送信ウェイト生成部１０８に出力する。

第１送信ウェイト生成部１０８は、チャネル推定部１０７から出力されたチャネル推定値から共分散行列を求め、求めた共分散行列を固有値分解して、ＳＵ−ＭＩＭＯ基準の固有ベクトル、すなわち、第１送信ウェイト行列を生成する。生成された第１送信ウェイト行列は第２送信ウェイト生成部１０９に出力される。なお、第１送信ウェイト生成部１０８の詳細については後述する。

第２送信ウェイト生成部１０９は、第１送信ウェイト生成部１０８から出力された第１送信ウェイト行列に、フィードバック情報復調部１０６から出力された送信ウェイト変換行列を乗算し、第２送信ウェイト行列を生成する。生成された第２送信ウェイト行列は送信ウェイト乗算部１０５に出力される。

次に、上述した電力制御部１０４の詳細について説明する。ここで、変換行列Ｍ_ｋ，ｉｊ、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｍｓ）とした場合、電力配分実施後の送信信号は次式（１）によって表される。

式（１）において、‖Ｘ‖_Ｆ＝｛ｔｒ（ＸＸ^Ｈ）｝^１／２、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は各レイヤの合計送信電力である。また、電力配分行列Ｐ_ｋは次式（２）によって表される。

式（２）において、μは各レイヤの合計電力がＰ_{ｔｏｔａｌ}になるように決定される値であり、Ｚは雑音電力と干渉電力の合計値である。また、Ａ^＋は、Ａが正の数である場合はＡとなり、Ａが負の数である場合は０となる。

次に、上述したフィードバック情報復調部１０６の詳細について説明する。フィードバック情報復調部１０６は、図５に示す最大レイヤ（ランク）数が２の場合のＴＭＩと送信ウェイト変換行列との対応表を有する。この対応表は基地局と共有しているものである。フィードバック情報復調部１０６では、図５を参照して、基地局からフィードバックされたＴＭＩ_ｋ，ｊと、別途通知されるＲＩ（Rank Indicator）に含まれるランク数とから送信ウェイト変換行列Ｍ_ｋ，ｉｊを選択する。ここで、ｋは端末番号、ｉはランク数、ｊはＴＭＩをそれぞれ表している。なお、図５では、ＴＭＩを任意のランク数に対して０〜４（２ｂｉｔ）で表現している。

次に、上述した第１送信ウェイト生成部１０８の詳細について説明する。図６にＴＤＤ−ＭＩＭＯにおけるＳＵ−ＭＩＭＯの概念図を示す。図６では、基地局のアンテナ本数をＭ、端末ｋのアンテナ本数をＮ_ｋ、基地局と端末間のチャネルをＨ_ｋ、送信信号をｓ_ｋ、基地局における受信信号をｒで表している。

端末の第１送信ウェイト生成部１０８で生成した上りリンクのＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^{（ｍｓ）Ｈ}は、端末において下りリンクのチャネル行列Ｈ_ｋ ^Ｔの転置行列Ｈ_ｋを特異値分解（もしくは共分散行列Ｈ_ｋ ^ＨＨ_ｋを固有値分解）することにより求めることができる。

ここで、Ｕ_ｋは左特異ベクトル（受信ウェイト、）、Σ_ｋは固有値行列である。

なお、基地局では、受信信号ｒに対して、上りリンクのチャネル行列Ｈ_ｋを固有値分解して得られるＵ_ｋを乗算することにより、所望信号が求まる。

図７は、本発明の実施の形態１に係る無線通信基地局２００の構成を示すブロック図である。以下、図７を用いて基地局２００の構成について説明する。

チャネル推定部２０１は、端末１００から送信された参照信号からチャネル推定値（チャネル行列）を求め、求めたチャネル推定値を第１送信ウェイト生成部２０２及び第２送信ウェイト生成部２０３に出力する。

第１送信ウェイト生成部２０２は、チャネル推定部２０１から出力されたチャネル推定値から共分散行列を求め、求めた共分散行列を固有値分解して、ＳＵ−ＭＩＭＯ基準の固有ベクトル、すなわち、第１送信ウェイト行列を生成する。生成された第１送信ウェイト行列は送信ウェイト変換行列選択部２０４に出力される。

第２送信ウェイト生成部２０３は、チャネル推定部２０１から出力されたチャネル推定値にＩＷＦＡ（Iterative Water Filling Algorithm）を適用して、伝送容量が最大となる最適な第２送信ウェイト行列を生成し、送信ウェイト変換行列選択部２０４に出力する。

送信ウェイト変換行列選択部２０４は、第１送信ウェイト生成部２０２から出力された第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｂｓ）と送信ウェイト変換行列Ｍ_ｋ，ｉｊとの乗算結果と、第２送信ウェイト生成部２０３から出力された第２送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｉ）との差分を算出する。送信ウェイト変換行列選択部２０４は、全てのコードブックＭ_ｋ，ｉｊについて差分を算出し、算出した差分が最小となるＭ_ｋ，ｉｊを決定（次式（４）よりｊを決定）して、ＴＭＩ選択部２０５に出力する。なお、送信ウェイト変換行列選択部２０４は差分情報生成手段として機能する。

ＴＭＩ選択部２０５は、図５に示す最大レイヤ（ランク）数が２の場合のＴＭＩと送信ウェイト変換行列との対応表を有し、送信ウェイト変換行列選択部２０４から出力されたＭ_ｋ，ｉｊに対応するＴＭＩ_ｋ，ｊを選択し、選択したＴＭＩ_ｋ，ｊを端末１００に送信する。なお、ＴＭＩ選択部２０５は差分情報変換手段として機能する。

ＭＩＭＯ復調部２０６は、端末１００から送信された信号にＭＭＳＥ−ＳＩＣ（Minimum Mean Square Error Successive Interference Cancellation）基準のＭＩＭＯ復調を施し、ＭＩＭＯ信号をレイヤ毎の信号（受信変調シンボル）に分離する。分離されたレイヤ毎の受信変調シンボルはＰ／Ｓ変換部２０７に出力される。

Ｐ／Ｓ変換部２０７は、ＭＩＭＯ復調部２０６から出力されたレイヤ毎の受信変調シンボルを直列の受信変調シンボルに並べ替えて、デジタル復調部２０８に出力する。

デジタル復調部２０８は、Ｐ／Ｓ変換部２０７から出力された変調シンボルに対して、ＩＱ平面上での領域判定を行い、軟判定ビットを生成して、誤り訂正復号部２０９に出力する。

誤り訂正復号部２０９は、デジタル復調部２０８から出力された軟判定ビットに誤り訂正復号を行い、復号ビット（復調データ）を取得する。

次に、基地局から端末へのフィードバック方法について図８を用いて説明する。図８において、ステップ（以下、「ＳＴ」という）３０１では、端末から基地局に参照信号Ｓ_ｋ ^（Ｒ）を送信し、ＳＴ３０２では、基地局は、端末から送信された参照信号Ｓ_ｋ ^（Ｒ）を用いて、上りリンクのチャネル推定を行い、チャネル推定値Ｈ_ｋを取得する。

ＳＴ３０３では、チャネル推定値Ｈ_ｋを用いて第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋを求め、ＳＴ３０４では、チャネル推定値を用いて第２送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｉ）を求める。

ＳＴ３０５では、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋと送信ウェイト変換行列Ｍ_ｋ，ｉｊとの乗算結果と、第２送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｉ）との差分が最小となる送信ウェイト変換行列Ｍ_ｋ，ｉｊを選択し、選択した送信ウェイト変換行列Ｍ_ｋ，ｉｊに対応するＴＭＩ_ｋ，ｊを選択する。

ＳＴ３０６では、選択されたＴＭＩ_ｋ，ｊを端末にフィードバックすると共に、参照信号を端末に送信する。

ＳＴ３０７では、下りリンクの参照信号からチャネル推定値Ｈ_ｋ ^Ｔを求め、ＳＴ３０８では、チャネル推定値Ｈ_ｋ ^Ｔから共分散行列を求め、求めた共分散行列を固有値分解して、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ’を生成する。

ＳＴ３０９では、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ’に、基地局からフィードバックされたＴＭＩ_ｋ,ｊに対応する送信ウェイト変換行列Ｍ_ｋ，ｉｊを乗算し、第２送信ウェイト行列Ｖ_ｋ”＝Ｍ_ｋ，ｉｊＶ_ｋ’を生成し、ＳＴ３１０では、送信データに第２送信ウェイト行列Ｖ_ｋ”を乗算して、基地局に送信する。

このように、ＴＤＤシステムにおける上下リンクのチャネルの相関性に基づき、相関性の高いＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列が基地局及び端末においてそれぞれ求められるので、ＭＵ−ＭＩＭＯ時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列と第１送信ウェイト行列との差分情報として送信ウェイト変換行列をフィードバックすることにより、フィードバック情報のオーバヘッドを低減することができる。また、送信ウェイト変換行列をＴＭＩというインデックスに対応付けておき、ＴＭＩをフィードバックすることにより、フィードバック情報のオーバヘッドをさらに低減することができる。

このように、実施の形態１によれば、基地局において、ＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列に乗算することによって、ＭＵ−ＭＩＭＯ時の伝送容量を最大化するように送信ウェイト変換行列を決定し、決定した送信ウェイト変換行列に予め対応付けておいたＴＭＩを端末にフィードバックし、端末において、基地局からフィードバックされたＴＭＩに対応する送信ウェイト変換行列をＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列に乗算して、ＭＵ−ＭＩＭＯ時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列を生成し、送信データに第２送信ウェイト行列を乗算する。これにより、ＭＵ−ＭＩＭＯ時の伝送容量を最大化または増大化しつつ、送信ウェイトの生成に係るフィードバック情報のオーバヘッドを低減することができる。

なお、本実施の形態では、送信ウェイト変換行列選択部２０４において、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｂｓ）と送信ウェイト変換行列Ｍ_ｋ，ｉｊとの乗算結果と、第２送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｉ）との差分が最小となるＭ_ｋ，ｉｊを決定する方法について示したが、本発明はこれに限らない。送信ウェイト変換行列選択部２０４は、例えば、基地局と端末ｋ間のチャネルＨ_ｋに送信ウェイト変換行列Ｍ_ｋ，ｉｊと第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｂｓ）とを乗算した結果を擬似的なチャネル行列と見なして、伝送容量Ｃ_{ｔｏｔａｌ}を計算する。そして、全てのコードブック行列Ｍ_ｋ，ｉｊについて伝送容量Ｃ_{ｔｏｔａｌ}を計算し、その中で伝送容量が最大となるＭ_ｋ，ｉｊを決定してもよい（式（５）及び式（６）参照）。

ここで、Ｖ_ｋ ^（ｂｓ）は第１送信ウェイト行列、Ｎ_０は雑音の電力スペクトル密度である。

また、本実施の形態において、第１送信ウェイト行列と第２送信ウェイト行列との間には相関があるため、変換行列をコードブック形式で表現する場合、無相関の場合と比較して、コードブック（候補）数を削減することができる。

また、本実施の形態では、注水定理による電力配分は、チャネル行列Ｈ_ｋの固有値分解結果に基づくものとして説明したが、本発明はこれに限らず、チャネル行列と送信ウェイト変換行列との乗算結果Ｈ_ｋＭ_ｋ，ｉｊに基づいてもよい。この場合、固有値分解は次式（７）によって表される。

また、注水定理に基づく電力配分行列Ｐ_ｋは、次式（８）によって表される。

式（８）において、μは各レイヤの合計電力（次式（９）参照）がＰ_{ｔｏｔａｌ}になるように決定される値である。

（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係る端末４００の構成を示すブロック図である。以下、図９を用いて端末４００の構成について説明する。図９が図４と異なる点は、フィードバック情報復調部１０６をフィードバック情報復調部４０１に、第２送信ウェイト生成部１０９を第２送信ウェイト生成部４０３に変更し、位相回転行列推定部４０２を追加した点である。

フィードバック情報復調部４０１は、基地局から送信されたフィードバック情報を復調し、位相回転量ｐ_ｋを取得し、取得した位相回転量ｐ_ｋを位相回転行列推定部４０２に出力する。なお、位相回転量ｐ_ｋは、基地局と端末間で既知の信号（例えば、参照信号など）に乗算されているため、その既知信号の複素共役を乗算することにより、検出することができる。

位相回転行列推定部４０２は、フィードバック情報復調部４０１から出力された位相回転量ｐ_ｋと、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｍｓ）の第１ベクトルの第１要素の位相φ_ｋ,１１ ^（ｍｓ）との位相差φ_ｋを抽出する（次式（１０）参照）。

ここで、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｍｓ）とその第１ベクトルＶ_ｋ，１ ^（ｍｓ）は、以下の式（１１）で表現できる。

位相回転行列推定部４０２は、位相差φ_ｋを各要素の位相とする位相回転行列（対角行列）Ｑ_ｋを生成し（次式（１２）参照）、生成した位相回転行列Ｑ_ｋを第２送信ウェイト生成部４０３に出力する。

第２送信ウェイト生成部４０３は、第１送信ウェイト生成部１０８から出力された第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｍｓ）の各要素の位相に、位相回転行列推定部４０２から出力された位相回転行列Ｑ_ｋを乗算し、第２送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｉ）（＝Ｑ_ｋＶ_ｋ ^（ｍｓ））を生成する。生成された第２送信ウェイト行列は送信ウェイト乗算部１０５に出力される。

図１０は、本発明の実施の形態２に係る基地局５００の構成を示すブロック図である。以下、図１０を用いて基地局５００の構成について説明する。図１０が図７と異なる点は、第２送信ウェイト生成部２０３を削除し、送信ウェイト変換行列選択部２０４を送信ウェイト変換行列選択部５０１に変更し、ＴＭＩ選択部２０５をフィードバック情報決定部５０２に変更した点である。

送信ウェイト変換行列選択部５０１は、基地局５００と端末間のチャネルＨ_ｋに送信ウェイト変換行列Ｐ_ｋ，ｉｊと第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｂｓ）とを乗算した結果を擬似的なチャネル行列と見なして、伝送容量Ｃ_{ｔｏｔａｌ}を計算する。全てのコードブック行列Ｐ_ｋ，ｉｊについて伝送容量Ｃ_{ｔｏｔａｌ}を計算し、その中で伝送容量が最大となるＰ_ｋ，ｉｊを決定（式（１３）及び式（１４）参照）して、フィードバック情報決定部５０２に出力する。なお、送信ウェイト変換行列選択部５０１は、差分情報生成手段として機能する。

ここで、Ｖ_ｋ ^（ｂｓ）は第１送信ウェイト行列、Ｎ_０は雑音の電力スペクトル密度である。

フィードバック情報決定部５０２は、第１送信ウェイト生成部２０２から出力された第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｂｓ）の第１ベクトルＶ_ｋ，ｌの第１要素の位相ａ_ｋ，１１に、送信ウェイト変換行列選択部５０１から出力された送信ウェイト変換行列Ｐ_ｋ，ｉｊの対角成分の位相θ_ｉｊを加算し、位相回転量ｐ_ｋを取得する（次式（１５）参照）。

ここで、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｂｓ）と、その第１ベクトルＶ_ｋ，１は次式（１６）で表される。ただし、式（１６）において、Ｌはレイヤ数を表している。

位相回転量ｐ_ｋは、既知信号（例えば、参照信号）に乗算されて、端末４００にフィードバックされる。なお、フィードバック情報決定部５０２は、差分情報変換手段として機能する。

次に、基地局から端末へのフィードバック方法について図１１を用いて説明する。図１１において、ＳＴ６０１では、端末から基地局に参照信号Ｓ_ｋ ^（Ｒ）を送信し、ＳＴ６０２では、基地局は、端末から送信された参照信号Ｓ_ｋ ^（Ｒ）を用いて、上りリンクのチャネル推定を行い、チャネル推定値Ｈ_ｋを取得する。

ＳＴ６０３では、チャネル推定値Ｈ_ｋに全てのコードブック行列Ｐ_ｋ，ｉｊを乗算し、伝送容量が最大となる送信ウェイト変換行列Ｐ_ｋ，ｉｊを決定する。

ＳＴ６０４では、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ ^（ｂｓ）と送信ウェイト変換行列Ｐ_ｋ，ｉｊとに基づいて、端末にフィードバックする位相回転量ｒ_ｋを決定し、ＳＴ６０５では、位相回転量ｒ_ｋを既知信号（例えば、参照信号など）に乗算して、端末にフィードバックする。

ＳＴ６０６では、フィードバック情報を復調し、位相回転量ｒ_ｋを取得する。

ＳＴ６０７では、下りリンクの参照信号からチャネル推定値Ｈ_ｋ ^Ｔを求め、ＳＴ６０８では、チャネル推定値Ｈ_ｋ ^Ｔから共分散行列を求め、求めた共分散行列を固有値分解して、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ’を生成する。

ＳＴ６０９では、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ’に位相回転量ｐ_ｋを乗算し、位相回転行列Ｑ_ｋを生成する。ＳＴ６１０では、第１送信ウェイト行列Ｖ_ｋ’に位相回転行列Ｑ_ｋを乗算し、第２送信ウェイト行列Ｖ_ｋ”＝Ｑ_ｋＶ_ｋ’を生成し、ＳＴ６１１では、送信データに第２送信ウェイト行列Ｖ_ｋ”を乗算して、基地局に送信する。

このように、実施の形態２によれば、基地局において、ＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列に乗算することによって、ＭＵ−ＭＩＭＯ時の伝送容量を最大化するように送信ウェイト変換行列を決定し、決定した送信ウェイト変換行列の対角成分の位相にＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列の第１ベクトル第１要素の位相を加えた位相を端末にフィードバックし、端末において、基地局からフィードバックされた位相に基づいて、送信ウェイト変換行列を推定し、推定した送信ウェイト変換行列をＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列に乗算して、ＭＵ−ＭＩＭＯ時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列を生成し、送信データに第２送信ウェイト行列を乗算する。これにより、ＭＵ−ＭＩＭＯ時の伝送容量を最大化または増大化しつつ、送信ウェイトの生成に係るフィードバック情報のオーバヘッドを低減することができる。

なお、本実施の形態では、基地局から端末へフィードバックする情報を位相回転量ｒ_ｋとして説明したが、本発明はこれに限らず、図１２に示すように、位相回転量ｒ_ｋを例えばπ／４毎に範囲分けして、各範囲に対応付けたインデックス（ＰＲＩ：Phase Rotation Index）をフィードバックしてもよい。これにより、フィードバック情報のオーバヘッドをさらに低減することができる。

また、本実施の形態では、位相回転行列の対角成分の位相及び振幅を全て同じ値に設定する。これにより、同一ユーザ内のユニタリ性を担保することができる。また、ユーザ間では、対角成分の位相を異なる値に設定する。これにより、マルチユーザダイバーシチ効果を改善し、伝送容量を向上させることができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、送信ウェイト変換行列Ｍが対角行列であり、各成分の振幅が異なるものとする。ただし、各レイヤの合計電力がＰ_{ｔｏｔａｌ}になるように設定されている。なお、本発明の実施の形態３に係る端末の構成は、実施の形態１の図４に示した端末１００の構成と同様であり、その詳細な説明は省略する。

図１３は、本発明の実施の形態３に係る基地局７００の構成を示すブロック図である。図１３が図７と異なる点は、第２送信ウェイト生成部２０３を削除し、送信ウェイト変換行列選択部２０４を送信ウェイト変換行列選択及びＭＭＳＥ−ＳＩＣ復調順序決定７０１に変更した点である。

送信ウェイト変換行列選択及びＭＭＳＥ−ＳＩＣ復調順序決定部７０１は、ＭＭＳＥ−ＳＩＣ基準の伝送容量（式（５）のＣ_{ｔｏｔａｌ}に相当）が最大になるように復調順序と送信ウェイト変換行列を決定する。具体的には、送信ウェイト変換行列選択及びＭＭＳＥ−ＳＩＣ復調順序決定部７０１は、図１４に示すようなＴＭＩと送信ウェイト変換行列の対応表を備えており、端末ｋの復調順序が早いほど、各レイヤに電力配分をより均等（Ｍ_２４）に割り当てる送信ウェイト変換行列を選択し、端末ｋの復調順序が遅いほど、電力配分をより第１レイヤに割り当てる（Ｍ_１１）送信ウェイト変換行列を選択する。選択された送信ウェイト変換行列はＴＭＩ選択部２０５に出力される。

このように、実施の形態３によれば、実施の形態１における最適な送信ウェイト行列の選択による伝送容量の改善に加えて、異なる振幅の対角成分の送信ウェイト行列を用いるため、ＭＭＳＥ−ＳＩＣによるＭＵ−ＭＩＭＯの復調順序の自由度を高めることができ、さらに伝送容量を高めることができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、電力配分行列Ｐ_ｋにおける干渉成分の補正係数αをフィードバックする。ただし、各レイヤの合計電力がＰ_{ｔｏｔａｌ}になるように設定されている。

図１５は、本発明の実施の形態４に係る端末８００の構成を示すブロック図である。図１５が図４と異なる点は、第２送信ウェイト生成部１０９を削除し、フィードバック情報復調部１０６をフィードバック情報復調部８０１に変更し、電力制御部１０４を電力制御部８０２に変更した点である。

フィードバック情報復調部８０１は、基地局から送信されたフィードバック情報を復調し、電力配分行列の補正係数α_ｋを取得し、取得した補正係数α_ｋを電力制御部８０２に出力する。なお、補正係数α_ｋは、基地局と端末８００間で既知の信号（例えば、参照信号など）に乗算されているため、その既知信号の複素共役を乗算することにより、検出することができる。

電力制御部８０２は、Ｓ／Ｐ変換部１０３から出力されたレイヤ毎の変調シンボルに第１送信ウェイト行列を乗算することを前提とした、注水定理に基づく電力配分をレイヤ毎の変調シンボルに対して行って、送信ウェイト乗算部１０５に出力する。

基地局における注水定理に基づく干渉成分を考慮した電力配分行列Ｐ_ｋは次式（１７）によって表される。

電力制御部８０２は、フィードバック情報復調部８０１から電力配分行列補正係数α_ｋを受け取り、電力配分行列Ｐ_ｋを生成する。これをレイヤ毎の変調シンボルに乗算することにより、電力配分を実施する。

図１６は、本発明の実施の形態４に係る基地局９００の構成を示すブロック図である。図１６が図７と異なる点は、第２送信ウェイト生成部２０３及びＴＭＩ選択部２０５を削除し、送信ウェイト変換行列選択部２０４を電力配分行列補正係数決定部９０１に変更した点である。

電力配分行列補正係数決定部９０１は、次式（１８）により電力配分行列Ｐ_ｋにおける干渉成分の補正係数α_ｋを求める。

ここで、ｑはコードブックサイズ、βはＭＭＳＥ−ＳＩＣによるＭＩＭＯ復調における干渉抑圧度を調整するパラメータである。ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）は各端末の平均ＳＮＲである。例えば、コードブックサイズｑ＝５、β＝１の場合、α_ｋは次式（１９）によって表される。

α_ｋの決定方法については、上記実施の形態と同様にＭＭＳＥ−ＳＩＣに基づく伝送容量を最大化するようα_ｋを選択する。

なお、上記各実施の形態では、端末の総アンテナ本数が基地局のアンテナ本数Ｍよりも多くなる場合においても適用可能である。

また、上記各実施の形態では、送信ウェイト変換行列を第１送信ウェイト行列に乗算するものとして説明したが、本発明はこれに限らず、送信ウェイト変換行列を第１送信ウェイト行列に加算してもよい。

本発明にかかる無線通信基地局装置、無線通信端末装置及びフィードバック方法は、ＴＤＤ−ＭＩＭＯシステム等の移動通信システムに適用できる。

１０１ 誤り訂正符号化部
１０２ デジタル変調部
１０３ Ｓ／Ｐ変換部
１０４、８０２ 電力制御部
１０５ 送信ウェイト乗算部
１０６、４０１、８０１ フィードバック情報復調部
１０７、２０１ チャネル推定部
１０８、２０２ 第１送信ウェイト生成部
１０９、２０３、４０３ 第２送信ウェイト生成部
２０４、５０１ 送信ウェイト変換行列選択部
２０５ ＴＭＩ生成部
２０６ ＭＩＭＯ復調部
２０７ Ｐ／Ｓ変換部
２０８ デジタル復調部
２０９ 誤り訂正復号部
４０２ 位相回転行列推定部
５０２ フィードバック情報決定部
７０１ 送信ウェイト変換行列及びＭＭＳＥ−ＳＩＣ復調順序決定部
９０１ 電力配分行列補正係数決定部

Claims (20)

1. ＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムにおける無線通信基地局装置であって、
   無線通信端末装置から送信された参照信号に基づいて、チャネル推定値を算出するチャネル推定手段と、
   前記チャネル推定値からＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列を生成する第１送信ウェイト生成手段と、
   ＭＵ−ＭＩＭＯを用いた前記無線通信端末装置との通信時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列と、前記第１送信ウェイト行列との差分情報を生成する差分情報生成手段と、
   前記差分情報を前記無線通信端末装置に送信する送信手段と、
   ＭＭＳＥ−ＳＩＣ（Minimum Mean Square Error Successive Interference Cancellation）基準とし、無線通信端末装置のアンテナ総数に関わらず、ＭＩＭＯ復調を行うＭＩＭＯ復調手段と、
   を具備する無線通信基地局装置。
2. 前記差分情報は、送信ウェイト変換行列である、
   請求項１に記載の無線通信基地局装置。
3. 前記差分情報生成手段は、予め複数の送信ウェイト変換行列の候補を備え、前記候補及び前記第１送信ウェイト行列の乗算結果と、前記第２送信ウェイト行列との差分が最小となる前記候補を差分情報として選択する、
   請求項２に記載の無線通信基地局装置。
4. 前記差分情報生成手段は、予め複数の送信ウェイト変換行列の候補を備え、前記チャネル推定値に前記候補及び前記第１送信ウェイト行列を乗算した結果を疑似チャネル行列とみなし、ＭＭＳＥ−ＳＩＣに基づいて伝送容量を最大化するように決定された前記候補を差分情報として選択する、
   請求項２に記載の無線通信基地局装置。
5. レイヤ数及び送信アンテナ本数に応じて異なる値となる送信ウェイト変換行列の候補に予め対応付けられたインデックスを備え、前記送信ウェイト変換行列を対応するインデックスに変換する差分情報変換手段を具備し、
   前記送信手段は、前記差分情報として前記インデックスを送信する、
   請求項２に記載の無線通信基地局装置。
6. 複数の無線通信端末装置から受信した信号の受信品質に基づいて、ＭＭＳＥ−ＳＩＣの復調順序を決定する復調順序決定手段を具備し、
   前記差分情報生成手段は、ＭＭＳＥ−ＳＩＣ基準の伝送容量が最大になるように送信ウェイト変換行列と復調順序を決定する請求項２に記載の無線通信基地局装置。
7. 前記差分情報は、位相回転量である、
   請求項１に記載の無線通信基地局装置。
8. 前記差分情報生成手段は、前記チャネル推定値に位相成分を変数とする任意の送信ウェイト変換行列と前記第１送信ウェイト行列とを乗算した結果を擬似チャネル行列とみなし、ＭＭＳＥ−ＳＩＣに基づいて伝送容量を最大化するように送信ウェイト変換行列を決定し、決定した前記送信ウェイト変換行列の対角成分の位相に、前記第１送信ウェイト行列の第１成分の位相を加えた位相回転量を差分情報として求める、
   請求項７に記載の無線通信基地局装置。
9. 前記送信ウェイト変換行列は、対角行列であり、対角成分が全て同じ値に設定され、ユーザ間では、異なる対角成分が設定された、
   請求項８に記載の無線通信基地局装置。
10. 前記送信手段は、前記位相回転量を既知信号に乗算して送信する、
    請求項７に記載の無線通信基地局装置。
11. 前記位相回転量の候補に予め対応付けられたインデックスを備え、前記位相回転量を対応するインデックスに変換する差分情報変換手段を具備し、
    前記送信手段は、前記差分情報として前記インデックスを送信する、
    請求項７に記載の無線通信基地局装置。
12. 前記差分情報は、電力配分行列における干渉成分の補正係数である、
    請求項１に記載の無線通信基地局装置。
13. 前記差分情報生成手段は、予め複数の電力配分行列における干渉成分の補正係数を備え、前記チャネル推定値に前記候補及び前記第１送信ウェイト行列を乗算した結果を疑似チャネル行列とみなし、ＭＭＳＥ−ＳＩＣに基づいて伝送容量を最大化するように決定された前記候補を差分情報として選択する、
    請求項１２に記載の無線通信基地局装置。
14. 前記送信手段は、干渉成分の補正係数を既知信号に乗算して送信する、
    請求項１２に記載の無線通信基地局装置。
15. ＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムにおける無線通信端末装置であって、
    無線通信基地局装置から送信された参照信号に基づいて、チャネル推定値を算出するチャネル推定手段と、
    前記チャネル推定値からＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列を生成する第１送信ウェイト生成手段と、
    ＭＵ−ＭＩＭＯを用いた前記無線通信端末装置との通信時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列と、前記無線通信基地局装置において生成された第１送信ウェイト行列との差分情報を前記無線通信基地局装置から受信する差分情報受信手段と、
    前記第１送信ウェイト生成手段によって生成された前記第１送信ウェイト行列と、前記差分情報とを用いて、前記第２送信ウェイト行列を生成する第２送信ウェイト生成手段と、
    送信データに前記第２送信ウェイト行列を乗算するウェイト乗算手段と、
    を具備する無線通信端末装置。
16. 前記差分情報は、送信ウェイト変換行列、位相回転量又は電力配分行列の干渉成分の補正係数である、
    請求項１５に記載の無線通信端末装置。
17. 前記差分情報は、前記送信ウェイト変換行列に予め対応付けられたインデックス、又は、位相回転量に予め対応付けられたインデックスである、
    請求項１６に記載の無線通信端末装置。
18. レイヤ毎の送信データに対して、注水定理に基づく電力配分を行う電力制御手段を具備する請求項１５に記載の無線通信端末装置。
19. レイヤ毎の送信データに対して、干渉成分を補正した注水定理に基づく電力配分を行う電力制御手段を具備する請求項１５に記載の無線通信端末装置。
20. ＴＤＤ−ＭＩＭＯシステムの無線通信基地局装置におけるフィードバック方法であって、
    無線通信端末装置から送信された参照信号に基づいて、チャネル推定値を算出するチャネル推定工程と、
    前記チャネル推定値からＳＵ−ＭＩＭＯ基準の第１送信ウェイト行列を生成する第１送信ウェイト生成工程と、
    ＭＵ−ＭＩＭＯを用いた前記無線通信端末装置との通信時の伝送容量を最大化するように決定された第２送信ウェイト行列と、前記第１送信ウェイト行列との差分情報を生成する差分情報生成工程と、
    前記差分情報を前記無線通信端末装置に送信する送信工程と、
    を具備するフィードバック方法。
    

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